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    水變燃料?中國利用光分解水制氫研究取得新突破

    新華網 | 2025-04-11 13:54:18

    150年前,科幻大師儒勒·凡爾納曾預言:水將成為未來的終極燃料。如今,科學家們正努力將這個幻想變為現實。

    中國科學院金屬研究所所長、研究團隊負責人劉崗表示,中國科研團隊近期在“光催化分解水制氫”領域取得突破性進展:通過對半導體光催化材料二氧化鈦進行“結構整容”和“元素替代”,顯著提升了通過陽光直接分解水獲取氫氣的效率。相關成果于4月8日發表在《美國化學學會雜志》上。

    目前太陽能制氫主要有兩種方式:一是通過太陽能電池發電再電解水,其效率高但設備復雜且昂貴;二是太陽光直接光解水:通過二氧化鈦等半導體材料在陽光下“一鍵分解”水分子。劉崗團隊主要聚焦第二種技術路線。

    據介紹,用傳統二氧化鈦分解水有嚴重障礙:當光線照射到二氧化鈦時,其內部會產生帶電粒子(電子和空穴),這些帶電粒子就是分解水的“工具”。然而,這些被激活的電子和空穴并不穩定。“電子和空穴就像迷失方向的賽車,在如同迷宮的材料內部橫沖直撞,絕大多數的電子和空穴在百萬分之一秒內就會復合湮滅。此外,高溫制備環境容易導致氧原子‘離家出走’,形成氧空位并捕獲電子,這些都大大降低了光催化反應的效率。”劉崗說。

    研究團隊創造性地引入鈦在元素周期表中的鄰居——鈧(Sc)元素對二氧化鈦進行改造。經驗證,鈧元素具備三大優勢:一是鈧離子半徑與鈦相近,能完美嵌入其晶格而不造成結構變形;二是鈧的穩定價態恰好能中和氧空位帶來的電荷失衡;三是鈧離子能重構晶體表面,產生特定的晶面結構,就像架起“電荷高速公路和立交橋”,讓電子和空穴順利跑出迷宮。

    通過精密調控,團隊成功研制出性能顯著提升的二氧化鈦材料,其紫外線利用率突破30%,模擬太陽光下產氫效率較同類材料提升15倍,創造了該材料體系的新紀錄。劉崗表示:“若用這種材料制作1平方米的光催化板,在陽光照射下每天能產生約10升的氫氣。”

    科研人員介紹,二氧化鈦作為一種工業用途廣泛的無機材料,中國產能占全球50%以上,已形成完整的產業鏈,而稀土鈧的儲量中國也位居世界前列,對于后續光催化材料的發展及工業應用具有得天獨厚的產業優勢。光催化分解水效率進一步突破后將有望實現產業應用,推動能源結構升級。

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